Cross-silo federated learning (FL) is a distributed learning approach where clients train a global model cooperatively while keeping their local data private. Different from cross-device FL, clients in cross-silo FL are usually organizations or companies which may execute multiple cross-silo FL processes repeatedly due to their time-varying local data sets, and aim to optimize their long-term benefits by selfishly choosing their participation levels. While there has been some work on incentivizing clients to join FL, the analysis of the long-term selfish participation behaviors of clients in cross-silo FL remains largely unexplored. In this paper, we analyze the selfish participation behaviors of heterogeneous clients in cross-silo FL. Specifically, we model the long-term selfish participation behaviors of clients as an infinitely repeated game, with the stage game being a selfish participation game in one cross-silo FL process (SPFL). For the stage game SPFL, we derive the unique Nash equilibrium (NE), and propose a distributed algorithm for each client to calculate its equilibrium participation strategy. For the long-term interactions among clients, we derive a cooperative strategy for clients which minimizes the number of free riders while increasing the amount of local data for model training. We show that enforced by a punishment strategy, such a cooperative strategy is a SPNE of the infinitely repeated game, under which some clients who are free riders at the NE of the stage game choose to be (partial) contributors. We further propose an algorithm to calculate the optimal SPNE which minimizes the number of free riders while maximizing the amount of local data for model training. Simulation results show that our proposed cooperative strategy at the optimal SPNE can effectively reduce the number of free riders and increase the amount of local data for model training.


翻译:跨千里 FL 中的客户通常是一些组织或公司,他们可能反复执行多个跨千里 FL 的跨千里 FL 进程,目的是通过自私地选择其参与级别来优化其长期利益。虽然在鼓励客户加入 FL 方面做了一些工作,但是对跨千里 FL 客户以合作方式培训全球范围的客户的长期自私参与行为的分析基本上仍未得到探讨。在本文中,跨千里 FL 的跨千里 FL 客户通常是由于他们的时间变化而反复执行多个跨千里 FL 进程的组织或公司,目的是通过自私地选择其参与水平来优化其长期利益。尽管在鼓励客户加入 FL 方面做了一些工作,但是对于跨千里 FL 进程(SP FLL 进程) 的客户的长期自私参与行为的分析仍然基本上没有被探讨。 对于跨千里拉里 FLE FL, 我们为每个客户的自由参与战略提出一个分布式的免费的算法, 而我们为客户提出一个合作性战略显示一个数量。

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